CC BY
7УДК 614.841 DOI 10.25257/FE.2020.4.35-42
ПУЗАЧ Сергей Викторович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: puzachsv@mail.ru
ГОРЮШКИН Сергей Сергеевич
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: semak_34rus@rambler.ru
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА ФЛАНЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ МЕЖДУ РАСШИРИТЕЛЬНЫМ БАКОМ И РАДИАТОРАМИ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДСТАНЦИЯХ
Разработана экспериментальная установка и представлены результаты экспериментов по нагреву фланцевого соединения между моделями расширительного бака и радиатором масляных трансформаторов на электрических подстанциях в условиях, соответствующих падающему лучистому тепловому потоку от верхового повального лесного пожара. Проведены эксперименты при паронитовых и штатных резиновых уплотнительных прокладках во фланцевом соединении без огнезащиты и с нанесённым огнезащитным вспучивающимся составом. Обнаружено, что использование штатных резиновых уплотнительных прокладок даже при огнезащите фланцевого соединения приводит к его разгерметизации и последующему взрывному горению, сопровождающемуся разрушением оборудования. Показано, что применение паронитовых прокладок с огнезащитой фланца позволяет предотвратить разгерметизацию фланцевого соединения.
Ключевые слова: лесной пожар, тепловое излучение, электрическая подстанция, трансформатор, трансформаторное масло, фланцевое соединение.
Электрические трансформаторные подстанции с масляными трансформаторами являются одним из важнейших элементов линий передач электроэнергии от электростанции к потребителю. Поэтому нарушение их функционирования, в том числе и под воздействием лесного пожара, может привести к серьёзным последствиям [1-4].
В работах [5, 6] представлены результаты теоретической оценки безопасного расстояния между подстанцией и кромкой лесного массива на основе анализа воздействия лучистого теплового потока от лесного пожара на масляные трансформаторы и ёмкости, предназначенные для хранения резерва трансформаторного масла. В вышеуказанных статьях показано, что тепловое воздействие лесного пожара может привести к выходу подстанции из строя из-за возгорания трансформаторного масла и последующего распространения опасных факторов пожара или взрыва по территории подстанции.
Однако ещё одним потенциально пожаровзры-воопасным элементом оборудования трансформаторной подстанции является фланцевое соединение, расположенное между расширительным баком и радиаторами масляных трансформаторов.
Влияние нагрева на огнестойкость фланцевого соединения, соединяющего трубопроводы с нефтепродуктами, исследовалось в работах [7-9]. Испытания проводились с фланцевым соединением без огнезащиты и с нанесённым на его поверхность огнезащитным
составом. Однако условия проведения эксперимента существенно отличались от реальных условий технологического процесса, так как вместо нефтепродукта внутри трубопровода находилась вода.
В работах [10-12] представлены результаты экспериментального и теоретического исследования воздействия тепловых потоков пожара на горизонтальные резервуары с нефтепродуктом. Однако свойства нефтепродукта существенно отличаются от свойств трансформаторного масла, что не позволяет распространить полученные в вышеуказанных работах закономерности на поведение рассматриваемого в данной статье фланцевого соединения под влиянием нагрева.
Целью работы является экспериментальная оценка влияния нагрева фланцевого соединения между расширительным баком и радиаторами масляных трансформаторов трансформаторной подстанции на сохранение работоспособности технологического оборудования при величинах плотностей лучистых тепловых потоков, характерных для условий воздействия верхового повального лесного пожара.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
- разработка экспериментальной установки;
- создание условий нагрева фланцевого соединения, характерных для теплового воздействия лучистых потоков от верхового повального лесного пожара;
© Пузач С. В., Горюшкин С. С., 2020
35
- проведение и анализ результатов экспериментов при предлагаемых паронитовых и штатных резиновых уплотнительных прокладках во фланцевом соединении без огнезащиты и с нанесённым огнезащитным вспучивающимся составом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Вид фланцевого соединения, расположенного между расширительным баком и радиаторами масляных трансформаторов
трансформаторной подстанции, представлен на рисунке 7. Схема экспериментальной установки продемонстрирована на рисунке 2.
Маслозаполненная модель расширительного бака масляных трансформаторов (/) соединена с маслозаполненной моделью радиатора масляного трансформатора (2) с помощью фланцевого соединения (5), уплотнённого резиновой или паронитовой прокладкой (4).
Металлические поддоны размерами 1,5x1,5 и 1x1 м (5) заполнялись трансформаторным маслом
Рисунок 1. Фланцевое соединение, расположенное между расширительным баком и радиаторами масляных трансформаторов трансформаторной подстанции: 1 - расширительный бак; 2 - радиатор масляных трансформаторов; 3 - фланцевое соединение Figure 1. Flange fixation located between the expansion tank and oil transformers radiators atthe transformer substation: 1 - expansion tank; 2 -oil transformers radiator; 3 - flange fixation
Рисунок 2. Схема экспериментальной установки:
1 - маслозаполненная модель расширительного бака масляных трансформаторов;
2 - маслозаполненная модель радиатора масляных трансформаторов; 3 - фланцевое соединение; 4 - противень с легковоспламеняющейся жидкостью; 5 - металлические опоры с регулировкой по высоте; 6 - видеокамеры на штативах; 7 - устройства для измерения и контроля температур; 8 - преобразователи термоэлектрические (термопары); 9 - компьютер
Figure 2. Experimental Installation scheme:
1 - oil-filled model of oil transformer expansion tank; 2 - oil-filled model of oil transformer radiator; 3 - flange fixation;
4 - tray with an Inflammable liquid; 5 - metal supports with height adjustment; 6 - video cameras on racks; 7 - devices for temperature measurement and control; 8 - thermoelectric converters (thermocouples); 9 - computer
и бензином АИ-92 в отношении 9 к 1. С помощью металлических опор (6), выполненных из металлических конструкций диаметром 20 мм, выполнялась регулировка по высоте расстояния от фланцевого соединения до поверхности поддона до 1 м.
Результаты экспериментов фиксировались в режиме реального времени на видеокамеры (7), установленные на штативах. Температура фланцевого соединения и шпилек измерялась четырьмя преобразователями термоэлектрическими (термопарами) типа ДТПК 0,5/0,5/3, сигнал с которых передавался на устройства для измерения и контроля температур УКТ38 и терморегулятор REX-C100 (8) (в зависимости от эксперимента).
Для обработки результатов экспериментов использовался ноутбук ACER ASPIRE 5755G (9).
Методика проведения эксперимента заключалась в следующем.
Устанавливается фланцевое соединение 3, которое уплотняется прокладкой, изготовленной из различных материалов:
- штатная резиновая уплотнительная прокладка (ГОСТ 12855-77 «Пластина резиновая для трансформаторов. Технические условия») толщиной 6 или 10 мм;
- предлагаемая паронитовая уплотнительная прокладка толщиной 2 мм.
Рассматриваются фланцевые соединения без огнезащиты и с огнезащитной обработкой вспучивающимся огнезащитным составом 0ТК-01, соответствующим ГОСТ Р 53295-2009 «Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности».
Металлический поддон заполняется трансформаторным маслом (27 л) (ГОСТ 982-80 «Масла трансформаторные. Технические условия») с температурой вспышки 135 °С, температурой самовоспламенения Гсв = 380 °С и бензином АИ-92 (3 л).
Источником открытого огня выполняется под-жиг горючей жидкости в поддоне.
Эксперимент продолжался до одного из следующих событий: полное выгорание горючей жидкости, нарушение целостности фланцевого соединения с последующим воспламенением масла или выброс масла из фланцевого соединения с его воспламенением.
Продолжительность одного эксперимента составляла 10-15 мин.
Плотность теплового потока, падающего на поверхность фланцевого соединения от пламени горения смеси трансформаторного масла и бензина в поддоне, приближённо равна 35-50 кВт/м2.
Плотность лучистого теплового потока от фронта лесного повального верхового пожара достигает величины 35-70 кВт/м2 при средней высоте лесного массива (ель), расположенного возле трансформаторной подстанции, равной 12 м, и расстоянии 31 м между лесным массивом и фланцевым соединением [5].
Таким образом, тепловое воздействие на фланцевое соединение в экспериментах адекватно условиям рассматриваемого лесного пожара.
Целью проведения экспериментов было исследование возможности разгерметизации фланцевого соединения под воздействием теплового потока с последующим воспламенением масла, его выбросом наружу с последующим горением или взрывом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Изображение ёмкости с трансформаторным маслом перед проведением экспериментов представлено на рисунке 3.
Исходные данные и результаты экспериментов сведены в таблицу.
Рисунок 3. Экспериментальная установка перед проведением экспериментов
Figure 3. The experimental installation before the experiments
Основные характеристики проведённых экспериментов Main characteristics of conducted experiments
№ п/п Характеристика фланцевого соединения Материал Толщина уплотнительной уплотнительной прокладки прокладки, мм Температура окружающего воздуха, °С Огнезащита фланцевого соединения Результат
1 Резина 6 31 °С Нет На 5 минуте от поджига масла в поддоне произошло обугливание и частичное выгорание резиновой прокладки, а также разгерметизация фланцевого соединения. Температура фланца и шпильки достигла 358 °Св момент разгерметизации. Произошло полное выгорание паров и трансформаторного масла, находящегося в расширительном баке
2 Резина 10 29 °С Нет На 7 минуте от поджига масла в поддоне произошло обугливание и частичное выгорание резиновой прокладки, а также разгерметизация фланцевого соединения. Температура фланца и шпильки достигла 423 °С в момент разгерметизации. Произошло полное выгорание паров и трансформаторного масла, находящегося в расширительном баке
3 Паронит 2 35 °С Нет На 10 минуте от поджига масла в поддоне произошло обугливание и частичное выгорание паронитовой прокладки, а также разгерметизация фланцевого соединения. Температура фланца и шпильки достигла 432 °С в момент разгерметизации. Произошло ослабление гаек и шпилек фланцевого соединения. Горение паров трансформаторного масла из-под фланцевого соединения произошло на 10,1 минуте
4 Паронит 2 35 °С Огнезащитная обработка вспучивающимся огнезащитным составом ОТК-01 Полное выгорание пролива горючей жидкости в поддоне в течение 15 мин без нарушения целостности фланцевого соединения и паронито-вой прокладки. Температура фланца и шпильки достигла 310 °С
5 Резина 6 33 °С Огнезащитная обработка вспучивающимся огнезащитным составом ОТК-01 На 8,5 минуте от поджига масла в поддоне произошло обугливание и частичное выгорание резиновой прокладки, а также разгерметизация фланцевого соединения. Температура фланца и шпильки достигла 316 °С в момент разгерметизации. Произошёл взрыв газовоздушной смеси с частичным разрушением экспериментального стенда
Испытания проводились при температурах воздуха от 22 до 35 °С и скорости ветра 1,5-8 м/с.
Процесс пожара на экспериментальной установке в различные характерные периоды проведения экспериментов представлен на рисунке 4.
В экспериментах № 1 и 2 (рис. 4, а, б) при наличии резиновых уплотнительных прокладок различной толщины происходил полный охват фланцевого соединения пламенем, который продолжался до полного выгорания паров и трансформаторного масла, находящегося в расширительном баке.
В эксперименте № 3 (рис. 4, в) в случае использования паронитовой уплотнительной проклад-
ки также, как и в экспериментах № 1 и 2, происходил полный охват фланцевого соединения пламенем, который продолжался до полного выгорания паров и трансформаторного масла, находящегося в расширительном баке.
Обработка фланцевого соединения вспучивающимся огнезащитным составом ОТК-01 толщиной от 1 до 2 мм при использовании паронитовой прокладки толщиной 2 мм позволила предотвратить нарушение целостности фланцевого соединения до полного выгорания горючей жидкости в поддоне в течение 15 мин, а также уменьшить температуру нагрева фланцевого соединения до 310 °С.
л
Рисунок 4. Картина пожара в различные характерные моменты времени проведения экспериментов: а - эксперимент № 1; б - № 2; в - № 3; г - № 4; л - № 5 Figure 4. Fire scene at various time points of the experiments: a - experiment no. 1; b - no. 2; c - no. 3; d - no. 4; e - no. 5
Рисунок 5. Фланцевые соединения после проведения экспериментов: а - эксперимент № 1; б - № 2; в - № 3; г - № 4; д - № 5
Figure 5. Flange connections after experiments: a - experiment no. 1; b - no. 2; c - no. 3; d - no. 4; e - no. 5
Однако обработка фланцевого соединения вспучивающимся огнезащитным составом ОТК-01 толщиной от 1 до 2 мм при использовании штатной резиновой прокладки толщиной 6 мм привела к наиболее тяжёлым последствиям, а именно взрыву газовоздушной смеси с частичным разрушением экспериментального стенда. Это объясняется тем, что разгерметизация обработанного фланцевого соединения произошла на 3,5 мин позже, чем соединения без огнезащиты. Более длительный нагрев привёл к повышению давления паров масла внутри расширительного бака и фланцевого соединения, и, соответственно, к большему объёму горючих паров, вышедших наружу в момент разгерметизации.
Вид фланцевых соединений после проведения экспериментов представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 иллюстрирует тот факт, что лишь в эксперименте № 4 не была нарушена целостность фланцевого соединения.
В качестве выводов авторы отмечают следующее. Для предотвращения выхода из строя трансформаторной подстанции с масляными трансформаторами при воздействии лучистого теплового потока от верхового повального лесного пожара необходимо выполнить следующие мероприятия:
- замена штатных резиновых уплотнительных прокладок фланцевого соединения между расширительным баком и радиаторами масляных трансформаторов на прокладки, изготовленные из паронита толщиной не менее 2 мм;
- обработка вышеуказанного соединения вспучивающимся огнезащитным составом ОТК-01 толщиной от 1 до 2 мм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Особенности развития пожаров на объектах энергетики [Электронный ресрс] // Энергетика. Оборудование. Документация: сайт. Режим доступа: http://forca.ru/knigi/oborudovanie/tushenie-pozharov-v-elektroustanovkah-4.html (дата обращения: 10.11.2020)
2. Кулешов А. А, Мышецкая Е. Е, Якуш С. Е. Моделирование распространения лесных пожаров на основе модифицированной
двумерной модели // Математическое моделирование. 2016. Т. 28. № 12. С. 20-32.
3. Козодеров В. В., Кулешов А. А. Моделирование лесных пожаров и наблюдение разных стадий их развития по данным гиперспектрального аэрокосмического зондирования // Исследование Земли из космоса. 2012. № 1. С. 29-39.
4. Доррер Г. А. Динамика лесных пожаров. Новосибирск: СО РАН, 2008. 403 с.
5. Пузач С. В., Горюшкин С. С. Оценка теплового воздействия лесного пожара на электрическую подстанцию с масляными трансформаторами // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2017. № 3. С. 79-83. 001: 10.25257/РБ.2017.3.79-83
6. Пузач С. В., Горюшкин С. С. Обоснование безопасного расстояния от кромки лесного массива до ёмкостей хранения трансформаторного масла на электрических подстанциях с масляными трансформаторами // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2020. № 2. С. 16-22. 001: 10.25257/РБ.2020.2.16-22
7. Рубцов Д. Н. Огнестойкость фланцевых соединений технологических систем с нефтью и нефтепродуктами: дис. ... канд. техн. наук. М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. 173 с.
8. Рубцов Д. Н, Сучков В. П., Швырков С. А. Поведение фланцевых соединений технологических трубопроводов в условиях
пожара // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.
2009. № 4. С. 46-50.
9. Рубцов Д. Н., Сучков В. П., Рубцов В. В. Модель поведения шпильки фланцевого соединения в условиях пожара // Безопасность жизнедеятельности. 2009. № 4. С. 37-40.
10. Хабибулин Р. Ш. Устойчивость к воздействию тепловых потоков пожара горизонтальных резервуаров с нефтепродуктом: дис. . канд. техн. наук. М.: Академия ГПС МЧС России,
2010. 162 с.
11. Хабибулин Р. Ш. Конечно-элементное моделирование теплового состояния резервуара в условиях воздействия лучистых тепловых потоков пожара // Безопасность жизнедеятельности. 2009. № 4. С. 40-42.
12. Хабибулин Р. Ш., Сучков В. П., Швырков С. А. Устойчивость горизонтальных стальных наземных резервуаров к воздействию тепловых потоков пожара разлива нефтепродуктов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2009. № 4. С. 39-42.
Материал поступил в редакцию 2 ноября 2020 года.
Sergey PUZACH
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: puzachsv@mail.ru
Sergey GORYUSHKIN
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: semak 34rus@rambler.ru
EXPERIMENTAL ESTIMATION OF THE CONSEQUENCES OF THE HEAT FLOW
IMPACT ON A FLANGE FIXATION BETWEEN AN EXPANSION TANK AND OIL TRANSFORMERS RADIATORS AT ELECTRIC POWER SUBSTATIONS
ABSTRACT
Purpose. The authors present the results of experiments on heating the flange fixation between the models of the expansion tank and oil transformers radiator at electric power substations under the conditions corresponding to the incident radiant heat flux from a total crown wildfire.
Methods. The authors use experimental modeling of the thermal effect on the flange fixation located between the models of the expansion tank and oil transformers radiators at electric power substations.
Findings. For the research purpose, there has been developed an experimental installation, which helped conduct experiments with paronite and standard rubber seals in a flange fixation without fire protection and with applied fire retardant intumescent composition.
It has been found that the use of standard rubber seals, even with fire protection of the flange fixation,
leads to its depressurization and subsequent explosive combustion accompanied by the equipment destruction. The use of paronite seals with flange fire protection prevents depressurization of the flange fixation.
Research application field. The results can be applied to substantiate the safe distance between electric power substations with oil transformers and the forest edge as well as to constructively improve flange fixations.
Conclusions. Heating the flange fixation located between the expansion tank and oil transformers radiators at electric power substations with standard rubber seals can lead to the technological equipment destruction at the substation, even when treated with an intumescent fire retardant.
Key words: wildfire, heat radiation, electric power substation, transformer, transformer oil, flange fixation.
REFERENCES
1. Features of fire development on energy objects. Power engineering. Equipment. Documentation. Available at: http://forca.ru/ knigi/oborudovanie/tushenie-pozharov-v-elektroustanovkah-4.html (accessed November 10, 2020) (in Russ.).
2. Kuleshov A.A., Myshetskaya E.E., Yakush S.E. Numerical simulation of forest fire spread based on modifired 2d model. Matematicheskoe modelirovanie (Mathematical Modeling). 2016, vol. 28, no. 12, pp. 20-32 (in Russ.)
3. Kozoderov V.V., Kuleshov AA. Simulation of forest fires and observation of different stages of their development according to hyperspectral aerospace sounding information. Issledovanie Zemli iz kosmosa (Research of the Earth from Space). 2012, no. 1, pp. 29-39 (in Russ.).
4. Dorrer G.A. Dinamika lesnykh pozharov [Dynamic of forest fires]. Novosibirsk, Siberian Branch of RAS Publ., 2008. 403 p. (in Russ.).
5. Puzach S.V., Goryushkin S.S. Assessment of the forest fire thermal effect on the electrical substation with oil transformers. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia (Fire and emergencies: prevention, elimination). 2017, no. 3, pp. 79-83 (in Russ.). DOI: 10.25257/FE.2017.3.79-83
6. Puzach S.V., Goryushkin S.S. Substantiating safe distance from a forest edge to tranformer oil storage tanks at electrical power substations. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia (Fire and emergencies: prevention, elimination). 2020, no. 2, pp. 16-22 (in Russ.) DOI: 10.25257/FE.2020.2.16-22
7. Rubtsov D.N. Ognestoikost flantsevykh soedinenii tekhnologicheskikh sistem s neftiu i nefteproduktami [Fire resistance of flange connections of process systems with oil and oil products. PhD in Engin. Sci. diss.]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2010. 173 p. (in Russ.).
8. Rubtsov D.N., Suchkov V.P., Shvyrkov S.A. The behavior of technological pipelines flange junctions in a fire. Zashchita okruzhaiushchei sredy v neftegazovom komplekse (Environmental protection in oil and gas complex). 2009, no. 4, pp. 46-50 (in Russ.).
9. Rubtsov D.N., Suchkov V.P., Rubtsov V.V. The model of heating sting and flange junction on fire. Bezopasnost zhiznedeiatelnosti (Life safety). 2009, no. 4, pp. 37-40 (in Russ.).
10. Khabibulin R.Sh. Ustoichivost k vozdeistviiu teplovykh potokov pozhara gorizontalnykh rezervuarov s nefteproduktom [Resistance to fire heat flows of horizontal oil tanks. PhD in Engin. Sci. diss.]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2010. 162 p. (in Russ.).
11. Khabibulin R.Sh. Finite-element modelling of thermal state of a tank exposured to radiant heat fluxes of a fire. Bezopasnost zhiznedeiatelnosti (Life safety). 2009, no. 4, pp. 40-42 (in Russ.).
12. Khabibulin R.Sh., Suchkov V.P., Shvyrkov S.A. Resistance of horizontal steel terrestrial tanks to heat flows of oil spill fire. Zashchita okruzhaiushchei sredy v neftegazovom komplekse (Environmental protection in oil and gas complex). 2009, no. 4, pp. 39-42 (in Russ.).
42
© Puzach S., Goryushkin S., 2020
